Optimizando el rendimiento del alto horno: Tecnologías avanzadas y estrategias de reparación mayor

Un alto horno (AH) es una inversión de futuro. Por ello, es necesario dimensionar correctamente todos los equipos, sistemas y componentes, e incorporar tecnologías que aseguren la producción y calidad deseadas para lograr un rendimiento mejorado. Esto es especialmente cierto cuando el alto horno se somete a reparaciones mayores (capital repairs). Durante estas, la incorporación de tecnologías para mejorar el rendimiento operativo también satisface nuevas demandas: rendimiento del horno, seguridad del personal, menores requisitos de mantenimiento y cumplimiento ambiental.

Desafíos clave

El reto principal para operadores de alto horno siempre ha sido asegurar suministro continuo y fiable de arrabio para acería a calidad uniforme y mínimo coste. Cualquier interrupción en producción de arrabio puede causar paradas en instalaciones posteriores. El tiempo de inactividad debe minimizarse mientras la vida de campaña del horno debe extenderse al máximo. Las fluctuaciones en parámetros operativos deben evitarse para calidad uniforme, solo posible mediante tecnologías adecuadas y soluciones sofisticadas de automatización y control de proceso.

Tecnologías para mejorar el rendimiento operativo (Fig 1)

Varias tecnologías, al adoptarse, mejoran 크게 el rendimiento del AH, aumentando eficiencia productividad y consumo combustible. Resultado: mayor producción arrabio por unidad volumen horno y menor consumo coque AH. Algunas tecnologías mayores descritas a continuación.

Fig 1 Tecnologías para mejorar rendimiento operativo AH

Aumento del volumen interno del horno

Mediante tecnologías avanzadas de revestimiento refractario y refrigeración, es posible reducir espesor revestimiento durante reparaciones mayores, aumentando simultáneamente vida campaña. Reducción espesor = aumento volumen interno = mayor capacidad producción. También da perfil temperatura consistente toda la campaña. Refractarios mejorados: alúmina resistente erosión en stack superior, carburo silicio en bosh y belly, paredes hogar carbono resistente erosión con almohadilla cerámica. Refrigeración: estaves cobre en zonas alto flujo calor, estaves hierro fundido en otras zonas (normalmente refrigeración independiente).

Calidad de la carga férrica (burden)

Para asegurar AH permeable (esencial operación estable), burden férrico debe ser fuerte, bien clasificado y cribado eficientemente para eliminar finos. No debe desintegrarse excesivamente en stack (genera finos adicionales). Debe ser suficientemente poroso, reducible y tamaño apropiado para reducirse adecuadamente al llegar zona ablandamiento. Así zona cohesiva menos restrictiva, menos escoria rica FeO, carga térmica regiones inferiores menor, operación suave. Requisitos propiedades físicas/metalúrgicas sinter, mineral calibrado, pellets para operación eficiente deben cumplirse. Propiedades ablandamiento/fusión componentes férricos afectan operación AH. Restricciones zona cohesiva y malas características fusión resultan en descenso burden errático, operación inestable, fluctuaciones térmicas.

Aspecto importante al seleccionar componentes burden: características ablandamiento/fusión. Mayor parte caída presión AH en región donde burden férrico ablanda, funde y gotea lecho coque por donde ascienden gases. Amplio rango fusión/ablandamiento = mayor caída presión y gran zona cohesiva que impinge ladrillos stack inferior.

Calidad del coque

Para operación estable AH a productividades razonables, coque buena calidad esencial. Motivo frecuente períodos operación pobres. Coque debe ser fuerte y estabilizado, soportar peso burden con mínima desintegración mecánica. Suficientemente grande y bien clasificado, mínimos finos, para crear lecho permeable por donde líquidos goteen a hogar sin restringir gases ascendentes. Tamaño consistente evita variaciones indeseadas permeabilidad y soporta concepto variar espesor capa coque radio horno para control flujo gas radial. Coque debe ser suficientemente no reactivo a pérdida solución (Índice reactividad coque CRI, normal 20-23%), retener fuerza bajo esas condiciones (Resistencia coque tras reacción CSR, normal 65-68%), bajo en álcalis para minimizar gasificación álcalis en raceway (efecto deletéreo desintegración coque). Bajo azufre para minimizar S arrabio. Humedad coque y variaciones contenido carbono controladas para minimizar efecto estado térmico proceso.

Coque en centro horno reemplaza gradualmente dead-man y coque hogar, que debe permanecer permeable para drenar líquidos a través centro hogar. Evita flujo periférico excesivo arrabio en hogar. Aumento temperatura centro pad hogar observado con aumento tamaño coque dead-man, indica mayor actividad centro hogar. Tamaño abertura cribas coque parámetro importante mantener permeabilidad hogar. Usualmente beneficioso aumentar tamaño criba y cargar coque fino adicional mezclado con burden férrico, lejos línea central horno.

Objetivo especificar coque alta calidad: asegurar coque grande llegue regiones inferiores. Monitorizar objetivo largo plazo: muestrear coque nivel tuyères para evaluar desintegración coque través horno. Generalmente durante mantenimiento planificado, a menudo junto con cambios tuyères. Muestra grande coque rastrillada abertura tuyera, propiedades comparadas muestra coque alimentación correspondiente.

Para minimizar variaciones térmicas/químicas, burden homogéneo deseable. Componentes burden mezclados íntimamente posible. Depende número componentes y sistema carga individual, pero suele lograrse grado razonable seleccionando silos almacenamiento y secuencia descarga materiales.

Carga de coque fino (nut coke)

Sistema carga flexible permite uso nut coke. Tamaño disponible depende tamaño/eficiencia cribas coque AH en clasificación baterías coque, típicamente 10-25 mm. Carga nut coke mezclado material férrico posicionado radio medio, mejora operación mejorando eficiencia reducción y permeabilidad capa mineral zona cohesiva. Carga nut coke también reduce temperaturas belly. Nut coke cargado en pared, entre dos cargas mineral, para prevenir región inactiva pared cuando mineral fino cargado en pared.

Distribución de la carga (Burden distribution)

Factor principal que afecta estabilidad operación y, determinando flujo gas radial en horno, factor mayor control tasa desgaste paredes. Para mejor control distribución burden stack y mejorar contacto gas-sólido y eficiencia combustible, varios desarrollos recientes usados. Dos tipos sistema distribución permiten control suficiente alta productividad: tope sin campana (bell-less top) con canaleta giratoria inclinable, y sistema campana con armadura garganta móvil.

Principalmente, flujo gas radial controlado por proporción burden férrico/coque, ya coque generalmente mayor tamaño. Logrado fácilmente cargando material capas discretas variando espesor capa radio horno. Protección paredes: aumentar proporción capa mineral en pared = menos calor removido por refrigeración pared. Límite proporción material férrico cerca pared: si no, capa inactiva forma, fomenta acreciones pared y permite burden no preparado regiones inferiores, aumentando fallos tuyères. Proporción coque centro debe ser suficiente operación estable nivel producción deseado. Gran proporción coque = región permeable con menos líquidos descendentes, permite máximo volumen soplado sin grandes fluctuaciones presión soplado y descenso burden errático.

Coque centro reemplaza coque hogar; centro rico coque permeable fomenta hogar permeable, relaciona flujo líquido a través hogar. Chimenea central coque no debe ser innecesariamente ancha, o resulta ineficiencia y daño partes tope horno por excesiva capacidad calorífica gas ascendente.

Carga fraccionada (Split size charging)

Sistemas distribución sofisticados permiten control adicional distribución burden usando más de un rango tamaño material dado. Práctica común: carga material férrico fino, a menudo de cribado burden principal. Finos cargados por separado pequeñas cantidades cerca pared horno, reduciendo permeabilidad localmente protegiendo paredes. Carga lote pequeño separado normalmente reduce capacidad carga horno. Carga lotes pequeños con campana y armadura garganta móvil causa menos retrasos que tope sin campana por tiempo descarga reducido. Posible cargar pequeñas cantidades finos pared cargándolos primero tolva superior o tolva campana grande y usando ángulo inicial canaleta o ajuste armadura garganta. Cantidad limitada por características descarga tolva sin mezclar resto carga. Beneficio financiero usar finos férricos directamente vs re-sinterizarlos. Forma similar, burden férrico puede dividirse grande/pequeño y cargarse diferentes partes radio horno controlar permeabilidad radial.

Operación alta presión

Factor limitante aumentar caudal soplado AH: efecto elevación causado grandes volúmenes gases soplando hacia arriba burden. Efecto elevación (caudal másico) impide descenso normal burden, causa pérdida no aumento producción. Para aumentar producción sobre normal, AH equipado válvula septo (septum valve) sistema gas tope para aumentar presión gas salida. Aumento presión comprime gases todo sistema, permite mayor volumen aire soplado. Con aumento cantidad aire soplado/min, aumento correspondiente tasa producción. Además, suprime formación SiO resultando menor Si arrabio.

Al aumentar presión gas tope, presión aire soplado entrada debe aumentar proporcionalmente. Si presión tope aumenta, necesario soplador mayor capaz entregar mayor volumen soplado a mayor presión. Carcasa horno, carcasa estufas, atrapapolvos, lavador primario, colectores gas deben tener integridad estructural soportar presión aumentada. Válvula estrangulación aumentar presión tope ubicada tras lavador primario donde efecto arenado gas reducido por eliminación gran parte polvo arrastra gas horno. Línea salida agua lavador primario necesita regulador para que presión gas dentro lavador no destruya sello agua. Gas limpio o N₂ para ecualización presión equipos carga horno. Hornos presiones tope 2-2,5 kg/cm² operan exitosamente. Algunos usan turbinas recuperación presión tope para recuperar energía compresión y generar potencia.

Temperatura aire caliente (Hot blast temperature)

Mejora eficiencia combustible AH y permite mayores temperaturas horno, aumentando capacidad. Temperaturas aire caliente altas esenciales operación eficiente: reducen requerimiento coque sustancialmente y facilitan inyección combustibles auxiliares (carbón pulverizado) sustituyendo coque AH. Ahorro energético total combinando técnicas ~0,12 M kcal/t arrabio. Reduce costes operación: ratio coque reduce 2,8% por 100 °C subida temperatura soplado mantenida 1000-1200 °C. Muchos hornos modernos operan >1300 °C.

Enriquecimiento oxígeno aire soplado

Propósito: controlar temperatura adiabática llama raceway (RAFT), generación gas hogar, intensidad fusión. Al enriquecer aire soplado con O₂, aumenta RAFT. Altas temperaturas llama normalmente incompatibles burden baja calidad, requieren burden calidad adecuada. Altas temperaturas por enriquecimiento O₂ controladas con humedad soplado e inyección combustible. Operaciones hornos usan >12% enriquecimiento. Por cada % O₂ sobre aire normal (~21% O₂), tasa producción aumenta ~2-4%. Si burden buena reducibilidad (reduce rápido), temperatura llama puede aumentar significativamente y mejorar eficiencia combustible. Uso juicioso O₂ controla tasa flujo másico gas bosh maximizando rendimiento horno controlando calidad arrabio.

Inyección combustible auxiliar

Con desarrollo técnicas aumentar temperatura aire caliente 1000-1300 °C y necesidad controlar RAFT por tipo burden, posible inyectar combustibles hidrocarburos por tuyères para controlar temperatura llama, aumentar poder reductor gas bosh y reemplazar coque AH. Presencia grandes cantidades coque, combustibles hidrocarburos solo queman a CO e H₂; producen menos calor que coque reemplazan = control temperatura llama, pero gas reductor producido más efectivo que combustión coque.

Muchos combustibles probados: gas natural, gas coque, fueloil, alquitrán, carbón pulverizado, incluso suspensiones carbón en aceite. Carbón pulverizado inyectante más usado hoy por abundancia relativa y bajo coste. Cuando carbón usado, introducido en aire soplado por lanza entrando corriente aire laterales tuberías soplado (blowpipes). Deseable carbón inyectado gasificado/combustido completamente antes salir raceway justo dentro horno. Precauciones especiales evitar acumulación combustible tubería bustle o blowpipe y combustión posterior. Proceso inyección carbón pulverizado (PCI) descrito:

1. Alimentación carbón a planta preparación: material extraño eliminado cribado e imán aéreo.
2. Carbón triturado y secado simultáneamente corriente gas caliente o unidad combinada molienda/secado, extracción sistema ventilador inducido.
3. Carbón distribución tamaño correcta aspirado separador velocidad, capturado filtro mangas.
4. Producto final cribado antes transferencia silo almacenamiento.
5. Proporción gases escape reciclada generador gas caliente unidad molienda/secado. Control asegura contenido O₂ total gas caliente contacto carbón <12% eliminar ignición carbón molido.
6. Sistema inyección carbón: tolvas cierre (lock hoppers) e unidades inyección. Caudal carbón cada tuyera controlado independientemente alimentador mecánico. Alternativa sistema divisor (splitter) menos precisión control caudal cada tuyera. Equipo PCI robusto hoy: disponibilidad >98%, tasas inyección precisas ±2%.

Automatización y control

Sistema automatización/control hoy solución ideal todos aspectos operación horno: (i) control tope horno cargas skip/cinta con patrones complejos carga y distribución burden, (ii) sistema carga espiral único tope sin campana aumentar porción finos cargable, (iii) control casa carga (stock house) materiales secuenciados por lotes con pesaje «en vuelo» y estratificación capas, (iv) control limpieza gas, (v) control estufas operación cíclica, paralela, paralela solapada, paralela escalonada 4 estufas, (vi) controles sistema inyección carbón, (vii) operación y control casa colada (cast house), (viii) controles planta granulación escoria. Además, características seguridad planta y secuencias parada.

Para asegurar alta operación AH bajo coste, hornos hoy dotados sistema optimización bucle cerrado. Funciona base modelos proceso avanzados, inteligencia artificial, software mejorado, interfaces gráficas, know-how operacional. Rendimiento proceso excelente y costes producción significativamente menores logrados en hornos con sistema bucle cerrado. En sistema experto bucle cerrado, parámetros principales AH controlados sin interacción operador. Ej: control ratio coque, basicidad, tasa inyección vapor, incluso distribución burden simultánea y automática modo bucle cerrado asegurar operaciones estables consistentes bajos costes producción. Control preciso AH base modelos proceso avanzados.

Sistema gestión información proceso (PIMS) AH actual recopila, prepara, almacena todos datos relevantes para uso posterior.